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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein System zur Steigerung der Energieeffizienz von thermischen Bearbeitungsvorrichtungen, wobei thermische Energie abgeführt, in eine weitere Energieform gewandelt und einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Thermische Bearbeitungsvorrichtungen dienen der Bearbeitung von Werkstücken unter Anwendung thermischer Energie. Die thermische Energie kann beispielsweise genutzt werden, um Werkstücke zu beschichten, zu trennen oder zu verbinden. Die Verbindung kann durch schweißen, löten oder durch thermische Hilfsstoffe, wie Klebstoffe erfolgen. Typische thermische Bearbeitungsvorrichtungen sind Schweißanlagen oder Schneidanlagen, in welchen beispielsweise ein Laser dazu verwendet wird Schnitte in Werkstücken auszuführen, oder zwei Werkstücke miteinander zu verschweißen. Insbesondere in der Automatisierungstechnik sind neben Laserschweißanlagen elektrische Widerstandspunktschweißanlagen. Diese Widerstandspunktschweißanlagen verwenden z. B. Schweißzangen mit entsprechenden Schweißelektroden.
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In automatisierten thermischen Bearbeitungsvorrichtungen kommen typischerweise Manipulatoren zum Einsatz, wie etwa Industrieroboter, wobei Industrieroboter automatisch geführte, mit drei oder mehr frei programmierbaren Bewegungsachsen ausgerüstete Mehrzweckmanipulatoren sind, die entweder ortsfest oder mobil in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
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Thermische Bearbeitungsvorrichtungen, wie sie typischerweise in der Fertigung von Werkstücken eingesetzt werden, weisen eine ungünstige Energiebilanz auf. Bei der thermischen Bearbeitung der Werkstücke kann nur normalerweise nur ein Teil der thermischen Energie genutzt werden und ein Großteil der erzeugten thermischen Energie geht als Abwärme verloren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile auszuräumen und die Energieeffizienz von thermischen Bearbeitungsvorrichtungen zu steigern.
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3. Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zu Steigerung der Energieeffizienz gemäß Anspruch 1. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur Steigerung der Energieeffizienz von thermischen Bearbeitungsvorrichtungen, umfassend zumindest eine Kühlvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist thermische Energie der thermischen Bearbeitungsvorrichtung abzuführen, weiter umfassend zumindest einen ersten Energiewandler, der mit der Kühlvorrichtung verbunden ist und welcher dazu eingerichtet ist, die abgeführte thermische Energie in eine erste Energieform zu wandeln, und zumindest einen Verbraucher, der (direkt oder indirekt) mit dem Energiewandler verbunden ist und welcher von dem Energiewandler mit Energie versorgt wird und der dazu eingerichtet ist Hilfsprozesse der thermischen Bearbeitungsvorrichtung auszuführen.
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Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung zumindest ein Kühlmedium, welches eine zu kühlende Komponente der thermischen Bearbeitungsvorrichtungen um- oder durchfließt. Beispielsweise kann bei der Kühlung elektrischer Schweißanlagen das Kühlmedium direkt durch die Schweißelektrode oder deren Halterung geleitet werden, um eine optimale Abfuhr thermischer Energie zu ermöglichen. Die Verwendung einer Kühlvorrichtung ist vorteilhaft, da durch die Abführung thermischer Energie die thermische Bearbeitungsvorrichtung effizient gekühlt werden kann. Die Verwendung eines Kühlmediums ist vorteilhaft, da die abgeführte thermische Energie effizient an den ersten Energiewandler geleitet werden kann.
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Der erste Energiewandler ist vorzugsweise über Leitungen, welche das Kühlmedium führen mit der Kühlvorrichtung verbunden. Die Verbindung des Verbrauchers mit dem Energiewandler erfolgt vorzugsweise über eine Energieübertragungsvorrichtung, wie beispielsweise über eine mechanische Welle oder über hydraulische, pneumatische oder elektrische Leitungen. Die Art der verwendeten Leitung ist von der Energieform des Verbrauchers abhängig. Insbesondere kann der Verbraucher auch indirekt über weitere Energiewandler oder Energiespeicher mit dem ersten Energiewandler verbunden sein. Die Wandlung der thermischen Energie mittels des ersten Energiewandler und die Versorgung eines Verbrauchers mit Energie durch den ersten Energiewandlers sind vorteilhaft, da so die abgeführte thermische Energie genutzt und folglich die Energieeffizienz des Systems gesteigert werden kann. Dadurch können Kosten und Energie bei der thermischen Bearbeitung von Werkstücken eingespart werden.
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Durch die Versorgung eines Verbrauchers mit Energie des Energiewandlers, welcher Verbraucher dazu eingerichtet ist Hilfsprozesse der thermischen Bearbeitungsvorrichtung auszuführen, können vorzugsweise thermische Bearbeitungsvorrichtungen geschaffen werden, die nicht oder nur im geringen Maße mit externer Energie für Hilfsprozesse versorgt werden müssen. Dies ist möglich, da die für die Hilfsprozesse benötigte Energie durch die Wandlung abgeführter thermischer Energie erzeugt werden kann. Benötigt ein Verbraucher zur Ausführung eines Hilfsprozesses beispielsweise potentielle Energie in Form von Druckluft, so kann die Druckluft direkt mittels des erfindungsgemäßen Systems zur Verfügung gestellt werden. Folglich ist es möglich die thermische Bearbeitungsvorrichtung unabhängig von der Verfügbarkeit von Druckluft in der Umgebung, wie beispielsweise der Verfügbarkeit eines Druckluftnetzes in einer Produktionshalle, einzurichten, wodurch eine hohe Flexibilität erreicht wird.
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Vorzugsweise umfasst das System einen zweiten Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler verbunden ist und welcher dazu eingerichtet ist, Energie der ersten Energieform in eine zweite Energieform zu wandeln, wobei die erste Energieform bevorzugt kinetische Energie ist, und wobei die zweite Energieform bevorzugt elektrische Energie und besonders bevorzugt potentielle Energie ist, welche bevorzugt in Form von Druckluft vom zweiten Energiewandler bereitgestellt wird.
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Typischerweise erfolgt die Wandlung der thermischen Energie dabei nicht direkt in die vom Verbraucher nutzbare Energieform, sondern die thermische Energie wird über zumindest zwei Stufen in die nutzbare Energieform gewandelt. Durch die Verwendung geeigneter Energiewandler sind so höhere Wirkungsgrade erzielbar. Typischerweise wird zunächst kinetische Energie erzeugt, die anschließend in elektrische Energie oder potentielle Energie gewandelt wird. Vorzugsweise liegt die potentielle Energie in Form von Druckluft oder hydraulischem Druck vor. Dies ist vorteilhaft, da die Verbraucher, welche zur Ausführung von Hilfsprozessen eingerichtet sind häufig pneumatisch (d. h. mit Druckluft) oder hydraulisch betrieben werden.
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Weiterhin muss typischerweise bei der Verwendung von pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Verbrauchern in thermischen Bearbeitungsvorrichtungen Druckluft und/oder hydraulische Energie separat zur Verfügung gestellt werden. Kann die entsprechende potentielle Energieform durch das System selbst erzeugt werden, so kann die separate Zurverfügungstellung von Druckluft und/oder hydraulischer Energie entfallen.
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Vorzugsweise umfasst das System weiter zumindest einen Energiespeicher, der mit dem ersten Energiewandler und/oder einem zweiten Energiewandler verbunden ist und welcher dazu eingerichtet ist Energie in der ersten und/oder zweiten Energieform zu speichern und den zumindest einen Verbraucher mit Energie zu versorgen.
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Die Speicherung der ersten und/oder zweiten Energieform ist vorteilhaft, da so die gewandelte Energie auch zu einem späteren Zeitpunkt als dem Zeitpunkt der Erzeugung zur Verfügung steht. Wird beispielsweise während des Schweißens der thermischen Bearbeitungsvorrichtung besonders viel thermische Energie abgeführt und gewandelt, so kann die gewandelte Energie zwischengespeichert werden, und steht dem zumindest einen Verbraucher auch zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung, an dem ein Hilfsprozess ausgeführt werden soll. Diese Hilfsprozesse, wie beispielsweise das Fixieren eines Werkstücks in der thermischen Bearbeitungsanlage, erfolgen in vielen Prozessen nämlich nicht zeitgleich mit dem Schweißen. Somit kann die abgeführte und gewandelte thermische Energie eines ersten Schweißvorgangs beispielsweise zur Fixierung eines Werkstücks zur Durchführung eines zweiten Schweißvorgangs genutzt werden.
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Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Schwungrad zur Speicherung kinetischer Energie, als Kondensator, Batterie oder Akkumulator zur Speicherung elektrischer Energie und/oder als Druckbehälter zur Speicherung potentieller Energie ausgebildet. Weitere Energiespeicher sind ebenso denkbar.
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Vorzugsweise ist der Energiespeicher ein Druckluftspeicher, wobei der Druckluftspeicher bevorzugt ein lokales Druckluftnetz der Bearbeitungsanlage ist. Die Nutzung von Druckluftspeichern ist vorteilhaft, da so pneumatisch betriebene Verbraucher aus dem Energiespeicher versorgt werden können. Insbesondere ermöglicht die Verwendung von Druckluftspeichern thermische Bearbeitungsvorrichtung unabhängig von der Verfügbarkeit von netzgebundener Druckluft in der Umgebung einzurichten. Falls vorhanden, ist es vorteilhaft, ein zentrales Druckluftnetz als Druckluftspeicher zu nutzen. So kann in potentielle Energie (Druckluft) gewandelte thermische Energie weiteren Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.
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Vorzugsweise ist die thermische Bearbeitungsvorrichtung eine Schweißvorrichtung, welche bevorzugt elektrische Schweißelektroden und besonders bevorzugt einen Schweißlaser umfasst. Schweißelektroden können insbesondere Widerstandsschweißelektroden, wie Punkt- oder Rollschweißelektroden sein. Andere Schweißelektroden sind ebenso möglich.
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Schweißvorrichtungen sind alle Vorrichtungen, welche zum Schweißen geeignet sind. Insbesondere umfassen Schweißvorrichtungen automatisierte Schweißvorrichtungen, in denen ein Werkstück relativ zur Schweißvorrichtung bewegt wird, oder in denen die Schweißvorrichtung relativ zum Werkstück bewegt wird. Insbesondere können Werkstück und/oder Schweißvorrichtung von einem Manipulator bewegt werden.
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Elektrische Schweißelektroden werden vorzugsweise bei Schweißzangen, wie sie etwa in der Automobilfertigung zum Einsatz kommen, verwendet. Diese zeichnen sich durch hohe Taktzeiten und kostengünstige Schweißverbindungen aus. Schweißzangen dienen zur Herstellung von Punktschweißverbindungen. Typischerweise werden die elektrischen Schweißelektroden der Schweißzange von einem Kühlmedium durchflossen, wodurch eine effiziente Abführung thermischer Energie möglich ist.
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Schweißlaser kommen sowohl für die Verschweißung von Metallen als auch für die Verschweißung von Kunststoffen zum Einsatz. Mit Schweißlasern können sowohl Punktschweißverbindungen als auch kontinuierliche Schweißnähte hergestellt werden.
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In Schweißanlagen müssen hohe Temperaturen erzeugt werden, um die zu verschweißenden Werkstücke aufzuschmelzen. Um die Schweißanlage selbst nicht zu beschädigen ist meist eine Kühlung der Schweißanlagen notwendig. Durch die Abführung und Wandlung der thermischen Energie kann eine Synergie erzielt werden und die Energieeffizienz gesteigert werden, da die zur Kühlung abgeführte thermische Energie in eine nutzbare Energieform gewandelt werden kann.
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Bevorzugt weist das System weiterhin einen Manipulator auf, wobei die thermische Bearbeitungsvorrichtung am Manipulator angeordnet ist, und wobei der zumindest eine Manipulator dazu eingerichtet ist die thermische Bearbeitungsvorrichtung zu orientieren und/oder zu positionieren.
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Vorzugsweise ist der Manipulator ein Industrieroboter, welcher die thermische Bearbeitungsvorrichtung orientiert und/oder positioniert, um beispielsweise eine Schweißbahn auf einem Werkstück abzufahren. Die Schweißbahn kann durch mehrere nebeneinander liegende Raumpunkte gebildet werden. Dies ermöglicht das automatisierte thermische Bearbeiten von Werkstücken. Dabei bezeichnet das Positionieren das Anfahren einer bestimmten Position, welche bezüglich aller drei translatorisch Freiheitsgrade bestimmt ist. Die Orientierung eines Körpers ist durch Angaben bezüglich aller drei rotatorischen Freiheitsgrade bestimmt. Vorzugsweise kann der Manipulator auch ein Portalroboter oder jede andere Art von Industrieroboter sein.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Kühlvorrichtung dazu eingerichtet ein Kühlmedium zu führen, welches thermische Energie der thermischen Bearbeitungsvorrichtung aufnimmt und an den ersten Energiewandler leitet, wobei der erste Energiewandler ortsfest in der Nähe der thermischen Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist.
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Typische Kühlmedien sind Luft, Öl oder Wasser. Andere Kühlmedien sind ebenfalls denkbar. Die Leitung thermische Energie mittels eines Kühlmediums ist vorteilhaft, da so die thermische Energie effizient an den ersten Energiewandler geleitet werden kann. Weiterhin ermöglicht die Nutzung eines Kühlmediums und entsprechender Leitungen, den Energiewandler ortsfest in der Nähe der thermischen Bearbeitungsvorrichtung anzuordnen. Wird beispielsweise die thermische Bearbeitungsvorrichtung von einem Manipulator bewegt, so muss nur ein Teil der Kühlvorrichtung, nämlich zumindest das Kühlmedium und die entsprechenden Leitungen von dem Manipulator mitbewegt werden. Die anderen Bestandteile des Systems, wie beispielsweise der erste Energiewandler können ortsfest angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist der zumindest eine Verbraucher dazu eingerichtet Werkstücke in der thermischen Bearbeitungsvorrichtung zu fixieren, wobei der Verbraucher vorzugsweise eine Greifvorrichtung und/oder Spannvorrichtung ist.
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Vorzugsweise weisen die thermische Bearbeitungsvorrichtungen Spannvorrichtungen auf, mittels welcher Werkstücke relativ zur thermischen Bearbeitungsvorrichtung lösbar fixiert werden können. Ebenso kann, beispielsweise im Falle der automatisierten thermischen Bearbeitung, ein Werkstück von einem Manipulator in die thermische Bearbeitungsvorrichtung eingelegt werden oder während der Bearbeitung relativ zur thermischen Bearbeitungsvorrichtung bewegt werden. Vorzugsweise ist der Manipulator mit einer Greifvorrichtung ausgestattet, welche dazu eingerichtet ist Werkstücke zu greifen und/oder lösbar zu fixieren. Diese Greifvorrichtungen und/oder Spannvorrichtungen sind typischerweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben. Folglich ist es möglich die Greifvorrichtungen und/oder Spannvorrichtungen, welche Verbraucher der thermischen Bearbeitungsvorrichtung sind und welche Hilfsprozesse ausführen, mittels des Energiewandlers mit Energie zu versorgen.
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Vorzugsweise ist der erste Energiewandler ein thermischer Motor und bevorzugt ein Stirlingmotor und der zweite Energiewandler ein Kompressor oder ein Generator.
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Die Wandlung thermischer Energie mittels eines thermischen Motors erlaubt die Wandlung der thermischen Energie in kinetische Energie, welche mit hohen Wirkungsgraden in weitere Energieformen gewandelt werden kann. Ein Stirlingmotor ist vorteilhaft, da bereits geringe Temperaturdifferenzen ausreichen um kinetische Energie zu erzeugen. Ist der zweite Energiewandler ein Kompressor, so kann potentielle Energie in Form von Druckluft erzeugt werden, die den Verbrauchern für Hilfsprozesse zur Verfügung gestellt werden kann. Die Nutzung eines Generators als zweiten Energiewandler ermöglicht die Erzeugung von elektrischer Energie. Vorzugsweise kann der Generator eine Niederspannungsquelle bilden, die elektrische Energie mit einer elektrischen Spannung von vorzugsweise 24 V, 12 V, 4,8 V, 3,2 V oder anderen geeigneten Spannungen den Verbrauchern für Hilfsprozesse bereitstellt.
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Vorzugsweise umfasst das System zumindest zwei Kühlvorrichtungen, welchen jeweils eine eigene thermische Bearbeitungsvorrichtung zugeordnet ist und welche Kühlvorrichtungen dazu eingerichtet sind thermische Energie derselben thermischen Bearbeitungsvorrichtung abzuführen und an einen gemeinsamen ersten Energiewandler zu leiten.
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Die Nutzung von zumindest zwei Kühlvorrichtungen mit nur einem ersten Energiewandler ist vorteilhaft, da so thermische Energie, welche von mehreren thermischen Bearbeitungsvorrichtungen abgeführt wird, in einem Energiewandler in nutzbare Energie gewandelt werden kann. Vorzugsweise ist das System erweiterbar, so dass weitere Kühlvorrichtungen mit dem ersten Energiewandler verbunden werden können. Besonders bevorzugt ist das System auch für thermische Bearbeitungsvorrichtungen nutzbar, welche herkömmliche Kühlvorrichtungen verwenden, die noch nicht mit einem Energiewandler verbunden sind.
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4. Ausführliche Beschreibung der Figur
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur genauer erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein System zur Steigerung der Energieeffizienz von thermischen Bearbeitungsvorrichtungen.
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1 zeigt insbesondere ein System 1 zur Steigerung der Energieeffizienz von thermischen Bearbeitungsvorrichtungen 11. Die in 1 gezeigte thermische Bearbeitungsvorrichtung 11 ist beispielsweise eine Schweißzange 11, welche über elektrische Schweißelektroden verfügt. Die Schweißzange wird von einem Manipulator 10 positioniert und orientiert. Damit ist es möglich automatisiert Schweißpunkte eines Werkstücks (nicht gezeigt) anzufahren und automatisch zu schweißen. Solche Schweißzangen kommen beispielsweise in der Automobilfertigung zum Einsatz. Die Schweißzange 11 wird durch eine Kühlvorrichtung (nicht gezeigt) gekühlt. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest einen Vorlauf 12 und einen Rücklauf 13, welche als Leitungen ausgeprägt sind, die ein Kühlmedium 14 führen. Ein typisches Kühlmedium ist Wasser. Weitere Kühlmedium können Öl, Luft oder sonstige Kühlmedien sein. Das Kühlmedium 14 wird beispielsweise durch die Schweißelektroden der Schweißzange 11 geleitet um thermische Energie abzuführen. Dabei ist die Temperatur des Kühlmediums im Vorlauf niedriger als die Temperatur des Kühlmediums im Rücklauf.
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Die so geleitete thermische Energie wird mittels des Kühlmediums 14 dem ersten Energiewandler 21 bereitgestellt. Der Energiewandler 21 ist ortsfest in der Nähe der thermischen Bearbeitungsvorrichtung 11, welche am Manipulator 10 angeordnet ist, angeordnet. Der erste Energiewandler 21 ist beispielsweise ein thermischer Motor, der die thermische Energie in kinetische Energie wandelt. Beispielsweise kann der thermische Motor ein Stirlingmotor sein. Mittels der ersten Energieübertragungsvorrichtung 23, welche im Falle eines Stirlingmotors bspw. die Motorwelle ist, wird die kinetische Energie an einem zweiten Energiewandler 22 übertragen. Der zweite Energiewandler 22 kann beispielsweise ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder ein Kompressor zur Erzeugung potentieller Energie, wie beispielsweise Druckluft, sein. Vorzugsweise sind der erste Energiewandler 21 und der zweite Energiewandler 22 in einem Gehäuse angeordnet und bilden so eine einheitliche Energiewandlungsvorrichtung 20.
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Besonders bevorzugt kann der erste Energiewandler 21 mit mehreren Kühlvorrichtungen (nicht gezeigt) verbunden werden. Ebenso ist es möglich, dass der erste Energiewandler 21 mit mehreren zweiten Energiewandlern 22 verbunden ist, wie beispielsweise mit einem Generator und einem Kompressor. Dadurch ist es möglich sowohl potentielle Energie, als auch elektrische Energie zu erzeugen.
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Die vom zweiten Energiewandler erzeugte elektrische und/oder potentielle Energie kann in einem Energiespeicher 31 gespeichert werden. Beispielsweise erzeugt der zweite Energiewandler Druckluft, und der Energiespeicher 31 ist ein Druckluftnetz. Typischerweise werden thermische Bearbeitungsvorrichtungen in Produktionshallen genutzt, welche über ein Druckluftnetz verfügen. In diesem Fall kann der Energiespeicher 31 das Druckluftnetz der Produktionshalle sein.
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Über den Energiespeicher 31 und den zweiten Energiewandler 22 kann der Verbraucher 30, wie in 1 gezeigt, mit dem ersten Energiewandler 21 verbunden sein. Somit versorgt der erste Energiewandler 21 den Verbraucher 30 mit Energie. Der Verbraucher 30 ist dazu eingerichtet Hilfsprozesse der thermischen Bearbeitungsvorrichtung 11 auszuführen und ist beispielsweise eine Spannvorrichtung, welche pneumatisch (d. h. mit Druckluft) betrieben wird. Die Spannvorrichtung dient vorzugsweise dazu Werkstücke lösbar zu fixieren. Diese fixierten Werkstücke werden vorzugsweise mittels der thermischen Bearbeitungsvorrichtung 11 bearbeitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System zur Steigerung der Energieeffizienz
- 10
- Manipulator
- 11
- Thermische Bearbeitungsvorrichtung, Schweißzange
- 12
- Vorlauf der Kühlvorrichtung
- 13
- Rücklauf der Kühlvorrichtung
- 14
- Kühlmedium der Kühlvorrichtung
- 20
- Energieumwandlungsvorrichtung
- 21
- Erster Energiewandler
- 22
- Zweiter Energiewandler
- 23
- Energieübertragungsvorrichtung
- 30
- Verbraucher
- 31
- Energiespeicher
